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8082139Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2 4 TEMA 2.4 Celdas de CombustibleCeldas de Combustible
Prof. Francisco M. [email protected]
Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected] © 2008
Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html
8082139Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Concepto-Concepto
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Introducción• Son dispositivos electro químicos que convierten la
energía química de reacciones directamente enenergía química de reacciones directamente enenergía eléctrica
• Sir William Grove en 1842 produjo la primera celdap j pde combustible operativa.
OHO1H 222 →+ OHO2
H 222 →+
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
IntroducciónEsquema General de una Celda de Combustible
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Introducción• Salto gigantesco en 1960, cuando General Electric
produjo la primera aplicación practica de la celda deprodujo la primera aplicación practica de la celda decombustible, cuando esta proveyó de energíaeléctrica a las cápsulas espaciales Gemini y Apollo.
Celda de Combustibledel Gemini
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Celda de Combustibledel Apolo
Introducción• Una celda de combustible, posee componentes y
características similares a los que una batería típica,características similares a los que una batería típica,y se diferencia en varios respetos.
• La batería es un dispositivo de almacenaje dep jenergía.
(anodo) 22HH2 +→ −+ e
(catodo) OH2H2O21
( )
22
2
→++ −+ e
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Introducción• La energía máxima disponible es determinada por la
cantidad de reactante químico almacenado dentro decantidad de reactante químico almacenado dentro dela batería se misma.
• La batería dejará de producir la energía eléctricaj p gcuando los reactantes químicos sean consumidos(esto es, descargados).
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
• En vez de recargarse usando electricidad, una célulade combustible usa el hidrógeno y el oxígeno.de combustible usa el hidrógeno y el oxígeno.
(catodo) OH2H2O21
(anodo) 22HH
22
2
→++
+→
−+
−+
e
e
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
( )2 22
Introducción• Una célula de combustible consiste en dos electrodos,
un ánodo y un cátodo, separado por un electrolito.un ánodo y un cátodo, separado por un electrolito.
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Introducción
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Estructura de la Pila
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Estructura de una Planta
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Estructura de una Planta
HHCO 222 +→+ COO
OHO21H 222 →+
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Clasificación• La clasificación de las celdas de combustible según el
electrolito:electrolito:– Celdas de Combustible Alcalinas (AFC).– Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC).– Celdas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC).– Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC).– Celdas de Combustible de Oxido Sólido (SOFC).– Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de
Protón (PEMFC)Protón (PEMFC).
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PEMFC: Polymer ElectrolyteMembrane Fuel Cell• Ha ganado mucha atención en los últimos años.• Emplea un polímero sólido como el electrolito es
Membrane Fuel Cell
• Emplea un polímero sólido como el electrolito, eshecho de una membrana de Teflón, material que es unexcelente conductor de protones y un aislador dep yelectrones
• Su temperatura de operación oscila alrededor de 50 –100°C.
• Emplean catalizadores (principalmente platino) paraaumentar la proporción de reacción
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PEMFC: Polymer ElectrolyteMembrane Fuel CellMembrane Fuel Cell• Larga vida útil, en los últimos años han sido probadas
en laboratorios bajo condiciones de largos periodosen laboratorios bajo condiciones de largos periodoscontinuos de funcionamiento
OHO1H
1
OHO2
H 222 →+
OH2e2HO21
22 →++ −+
−++→ 2e2H2H
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Estructura de una Celda de Combustible PEMFC
SOFC: Solid Oxide Fuel Cells• Operan en un rango de 500 – 1000°C.• Utilizan un electrolito sólido oxido de metal no• Utilizan un electrolito sólido, oxido de metal no
poroso los portadores de carga son los iones deoxigeno.g
• Pueden usar anhídrido carbónico o hidrógeno comocombustible directo.
• Debido a las altas temperaturas de funcionamiento lareacción se logra sin necesidad de utilizarcatalizadores de alto costo.
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SOFC: Solid Oxide Fuel Cells• Otra ventaja que pueden alimentase con otros tipos de
combustibles.combustibles.• Les permite prescindir de un reformador de
combustible, reduciendo sus costos operativos., p
OHO21H 222 →+
−− →+ 22 O2eO
21
−+→−+ 2eOH2OH
2
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+→+ 2eO2HO2HEstructura de una Celda de Combustible SOFC
AFC: Alkaline Fuel Cells• Emplea una solución líquida de hidróxido de potasio
(KOH) como electrolito.(KOH) como electrolito.• Su temperatura de operación se encuentra alrededor
de 90 – 100°COHO
21H 222 →+
( )−− →++ OH22eOHO21
22
( ) −− +→+ 2eO2HOH2H 22
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AFC: Alkaline Fuel Cells• Este tipo de celda de combustible está siendo usada
desde hace ya bastantes años por la NASA.desde hace ya bastantes años por la NASA.• Se obtiene con ellas una eficiencia del 70%.• Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosasHasta hace poco tiempo eran demasiado costosas
para aplicaciones comerciales, pero muchascompañías están examinando diversas vías parareducir costos y mejorar su flexibilidad de operación.
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DMFC: Direct Metanol Fuel Cells• Las DMFC son un hibrido de las PEMFC.• Usan la misma membrana del polímero que son• Usan la misma membrana del polímero que son
usadas en las PEMFC,• Usan metanol líquido como combustible en lugar delUsan metanol líquido como combustible en lugar del
hidrógeno reformado.• El catalizador del ánodo obtiene el hidrógenoEl catalizador del ánodo obtiene el hidrógeno
directamente del metanol líquido.• Es relativamente nueva comparada con los otros tiposp p
de celdas de combustible.• Se esperan eficiencias del 40% y operan a unas
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p f y ptemperaturas entre 60 – 100ºC.
DMFC: Direct Metanol Fuel CellsEsquema de una Celda de
Combustible DMFC.
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MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells• Las MCFC operan a 600 – 1000°C.• Normalmente utilizan una combinación de• Normalmente utilizan una combinación de
carbonatos alcalinos retenido en una matriz decerámica, como electrolito.,
• A altas temperatura de funcionamiento los carbonatosalcalinos forman una sal fundida muy conductiva,con iones del carbonato que proporcionan laconducción iónica.
• Las altas temperaturas de operación son adecuadaspara promover las reacciones, los catalizadores de
t l bl idDr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected]
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metales nobles no son requeridos
MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells• Requieren de dióxido de carbono (CO2) en el cátodo
para un funcionamiento eficaz
22222 COOHCOO21H +→++
para un funcionamiento eficaz
−− →++ 2CO2eCOO1
→++ 322 CO2eCOO2
−++→−+ 2e2COO2H23CO2H
Generación de potencia de gran tamaño, hasta
Esquema de una Celda de Combustible MCFC
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Ge e c ó de po e c de g o, sahora se han probado celdas de 250kW a 2MW
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells• Utilizan un ácido fosfórico líquido como electrolito,• El ácido se contiene en una matriz del Teflón que• El ácido se contiene en una matriz del Teflón que
mantiene el ácido en su lugar durante las reacciones.• La temperatura de funcionamiento están entre 175 –La temperatura de funcionamiento están entre 175
200°C.• No puede ser demasiado alta debido a que el ácidoNo puede ser demasiado alta debido a que el ácido
fosfórico comienza a descomponerse aaproximadamente 210°C
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells• El catalizador empleado es platino, son tolerantes al
CO2.CO2.
2COO2H2CO2O21
2H +→++ Potencia Eléctrica
Ánodo deCarbón Poroso
2e- Cátodo deCarbón Poroso
2e-
−− →++ 2322 CO2eCOO
21
2H-Gas Reformado
H3PO4Concentrado
Carbón Poroso
Ai (O )
Carbón Poroso
−++→−+ 2e2COO2H23CO2H
Gas Reformado(H2 + CO2)
Catalizadorde Platino
Reacción del Ánodo Reacción del Cátodo
Aire (O2)
H2O + Calor
Reacción del Ánodo Reacción del Cátodo
Esquema de una Celda de Combustible
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Esquema de una Celda de Combustible PAFC
PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells• Una de las ventajas es que son muy tolerantes a las
impurezas presentes en los combustibles deimpurezas presentes en los combustibles dehidrocarburos reformados.
• Son tomadas en cuenta en el desarrollo deaplicaciones.
• La capacidad de usar combustibles con impurezas, lashacen más económicas porque reduce los costo delreformador de combustible
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8082139Sistemas de Generación Distribuida
Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Diferencias-Diferencias
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Diferencias entre los Tipos de Celda de Combustible
Tipo y
Siglas en
Ingles
Electrolito Temperatura Combustible Aplicación Ventajas Desventajas
Combustible
Ingles
Poliméricas
(PEMFC)Nafion 60–100ºC H2
-Transporte
-Equipos
-Portátiles
Baja temperatura,
Arranque Rápido,
Electrolito Sólido (Reduce
La baja temp. requiere
catalizadores costosos
(Pt) y H2 puro-Electricidad corrosión, fugas, etc.).
(Pt) y H2 puro.
Alcalinas
(AFC)KOH (Aq.) 90–100ºC H2
-Militares
-Especiales
Mejores prestaciones de
corriente debido a su
rápida reacción catódica.
Requiere eliminar
el CO2 de aire y
combustiblerápida reacción catódica. combustible
De Acido
Fosfórico H3PO4 175–200ºC H2 -Electricidad
Eficiencia de hasta un 85%
(con cogeneración calor y
electricidad). Posibilidad
Catalizadores de
Platino. Corriente y
Potencia bajas. Peso y (PAFC) de usar H2 impuro como
combustible.
j y
tamaño elevados.
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Diferencias entre los Tipos de Celda de CombustibleCombustible
Tipo y
Siglas en
Ingles
Electrolito Temperatura Combustible Aplicación Ventajas Desventajas
Ingles
De Carbonatos
Fundidos
(MCFC)
Carbonato
Li, Na, K600–1000ºC H2 -Electricidad
Ventajas diversas de las
altas temperaturas.
Altas temperaturas
aumentan la corrección
y ruptura de ( )
componentes.
De Oxido
Sólido (Zr, Y)O2 800–1000ºC H2 -Electricidad
Ventajas diversas de las
altas temperaturas. El
electrolito sólido reduce
Altas temperaturas
facilitan la ruptura de
(SOFC)corrección, fugas, etc.
componentes (sellos).
Conversión
Directa
d M t lNafion 60–100ºC C H3OH
-Transporte
-Equipos
Pó t t l
Combustible líquido, más
cercano a la tecnología
t l á l t j dde Metanol
(DMFC)
-Pórtateles
-Electricidad
actual, más las ventajas de
las PEM.
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Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Comparación-Comparación
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Reacciones Químicas
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Reacciones -Ecuaciones de Nernst
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ComparaciónPotencia, Combustible, Eficiencia
PAFC SOFC MCFC PEMFCRango deCapacidad 100-200 kW 1 kW - 10 MW 250 kW - 10 MW 3-250 kW
Gas natural, Gas natural, G t lCombustible
,landfill gas, digester gas,
propano
,hidrogeno, landfill gas,
fuel oil
Gas natural, hidrógeno
Gas natural, hidrogeno, propano,
diesel
Eficiencia 36-42% 45-60% 45-55% 30-40%
Contaminación Cercano a cero Cercano a cero Cercano a cero Cercano a cero
Otrascaracterísticas
Cogen (agua caliente)
Cogen agua caliente, vapor de alta y baja
presión)
Cogen agua caliente, vapor de
alta y baja presión)
Cogen (agua 80 C)
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presión) presión)
ComparaciónEficiencia, Energía y Tiempo de Arranque
Tecnología de la Celda de Combustible
Densidad de potencia pico
(mW/cm2)
Eficiencia del Sistema
(% HHV)
Tiempo de Arranque (horas)Combustible (mW/cm ) (% HHV) (horas)
PAFC ~200 36-45 1-4MCFC ~160 43-55 10+
SOFC (tubular) 150-200 43-55 5-10SOFC (plana) 200-500 43-55 desconocido
PEMFC ~700 32-40 <0.1
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Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Eficiencia-Eficiencia
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Eficiencia• La eficacia térmica de un dispositivo de conversión
de energía está definida como la cantidad de energíade energía está definida como la cantidad de energíaútil producida debido al cambio en la energíaquímica almacenada (normalmente llamada energíatérmica), que se obtiene cuando un combustiblereacciona con un oxidante
HUtilizadaEnergiaΔ
=η
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Eficiencia Ideal• En condiciones normales de 25°C (298°K) y 1
atmósfera, la energía térmica (AH) conatmósfera, la energía térmica (AH) conhidrógeno/oxígeno la reacción es 285,8 kJ/mol, y laenergía Gibbs disponible para el trabajo útil es de237,1 kJ/mol.
• La eficacia térmica de una celda de combustible idealque opera reversiblemente con hidrógeno y oxígenopuro en condiciones normales sería:
83,08,2851,237
ideal ==η
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Eficiencia Real• La eficiencia de una celda de combustible real puede
expresarse en términos de la relación del voltaje deexpresarse en términos de la relación del voltaje deoperación entre el voltaje ideal de la celda.
• El voltaje ideal de una celda que operaj q preversiblemente con hidrógeno y oxígeno a 1 atm depresión y una temperatura de 25ºC es 1,229 V.
• Entonces la eficacia térmica real de una celda decombustible que opera a un voltaje Vcelda, basado enl l l ífi d l hid óel valor calorífico del hidrógeno, es
celdaceldacelda
ideal V675,02291V83,0
VV83,0
⋅=⋅
=⋅
=η
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celdaidela
ideal 229,1V
Eficiencia RealCaracterísticas Voltaje/Corriente Ideal y Real de
una Celda de Combustible
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Eficiencia
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Eficiencia
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Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Costos-Costos
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Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
Costos• El costo inicial es muy alto comparado con las otras
tecnologías FGD.tecnologías FGD.• En el 2001 el costo de la unidad era de
aproximadamente 4000 US$/kW.p
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Costos• El costo de instalación de la unidad es
aproximadamente 1.000.000 US$.aproximadamente 1.000.000 US$.• La mayoría de los fabricantes apuntan en costos por
debajo de 1500 US$/kW basados en el volumen dejproducción.
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Plug Power, 7KW PEMFCFuel Cell Residencial
Fuel Cell 250 kW, PEMFCBallard
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Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Fortalezas-Debilidades-Fortalezas Debilidades
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Fortalezas-DebilidadesPAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells
Fortalezas Debilidades
2MW, Santa Clara CaliforniaMCFC
Silencioso Altos CostosBajas emisionesAlta eficienciaAlta eficiencia
Probada confiabilidad
SOFC: Solid Oxide Fuel CellsFortalezas DebilidadesSilencioso SOFC planas aun se
mantienen en investigación ydesarrollo, recientesdesarrollos en operación abaja temperaturas son unapromesa
Bajas emisionesBack
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promesaAlta eficiencia Alto costos
SOFC, Tubular, Siemens Westinghouse
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Fortalezas-DebilidadesMCFC: Molten Carbonate Fuel Cells
Fortalezas Debilidades
Silencioso Necesita demostrar a largo termino la
seriedadBajas emisiones
Alta eficiencia Alto costo
PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cells
Celda de Combustible 250kW
CellsFortalezas Debilidades
Silenciosos Limitada experiencia en campo
Bajas emisiones La baja temperatura del calor de desecho puede limitar su potencial enAlta eficiencia
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limitar su potencial en cogeneración.
Alta eficiencia200kW UTC, Central Park, New York
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Celdas de CombustibleCeldas de Combustible-Desarrollos Futuros-Desarrollos Futuros
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Desarrollos Futuros• PEMFC: Teledyne, Plug Power, General Motors• Amplio rango de aplicaciones (portátiles• Amplio rango de aplicaciones (portátiles,
automóviles, residencial, comercial, iluminaciónindustrial))
• Bajas temperaturas ► rápido arranque• Madurez de la tecnología: ¿2010?Madurez de la tecnología: ¿2010?
– PAFC: UTC Fuel Cells– MCFC: Fuel Cell Energy
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www.utcfuelcells.com
Desarrollos Futuros• Algunas comercialmente disponibles
– AFC: Apollo Energy SystemsAFC: Apollo Energy Systems– SOFC: Ceramic Fuel Cells, ZTEK Corporation
• Amplio rango: residencial, comercial e instalacionesp g ,industriales (5-250kW)
• Altas temperaturas (1000C) ► arranque lento (5-10hp ( ) q (en algunos momentos)
• Madurez de la tecnología: ¿2015?
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www.ztekcorporation.com/